Pedestrian stability assessment and applicability analysis based on human model experiments in inundated flows

Minjae Kim; Joungjun Park; Ilwha Lee; Inhwan Park

doi:10.3741/JKWRA.2025.58.6.459

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Research Article / 우수학생논문상

Journal of Korea Water Resources Association. 30 June 2025. 459-468
https://doi.org/10.3741/JKWRA.2025.58.6.459

Pedestrian stability assessment and applicability analysis based on human model experiments in inundated flows

인체모형 실험을 통한 침수 흐름 내 보행 안정성 평가 및 적용 가능성 분석

Minjae Kim^a

Joungjun Park^b

Ilwha Lee^c

Inhwan Park^d^*

김 민재^a

박 정준^b

이 일화^c

박 인환^d^*

^aGraduate Student, Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea

^bSenior Researcher, Advanced Railroad Civil Engineering Division, Korea Railroad Research Institute, Uiwang, Korea

^cChief Researcher, Advanced Railroad Civil Engineering Division, Korea Railroad Research Institute, Uiwang, Korea

^dAssistant Professor, Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, Korea

^a서울과학기술대학교 건설시스템공학과 석사과정

^b한국철도기술연구원 첨단궤도토목본부 수석연구원

^c한국철도기술연구원 첨단궤도토목본부 선임연구원

^d서울과학기술대학교 건설시스템공학과 조교수

^{*Corresponding Author}

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ABSTRACT

Frequent occurrences of heavy rainfall caused by climate change have increased the risk of urban and underground space flooding, posing significant threats to pedestrian safety in subway stations. This study conducted lab-scale experiments to derive pedestrian stability conditions on subway platforms under flooding events. To demonstrate the toppling accident of a human body due to inundation flow, a human body model was designed considering mass similitude. By varying the inundation flow conditions, the flow conditions causing a toppling accident were determined, and based on these results, the relationship between walking threshold velocity and water depth (U-H relationship) was derived. The U-H relationship demonstrated a nonlinear decrease in inundation depth with increasing flow velocity. These findings can be utilized to quantitatively assess the threshold conditions by which toppling accidents occur as flow velocity increases. The applicability of the U-H relationship derived from laboratory-scale experiments to real-world inundation flow conditions was evaluated by comparing it with prototype experiments. Compared to previous experiments using human body models, this study presented more appropriate U-H relationship for pedestrian stability.

Keywords

Subway platform

Inundation flow

Human model

Pedestrian instability

U-H relationship

기후 변화로 인한 집중 강우의 빈번한 발생은 도시 및 지하 공간의 침수 위험을 증가시키며, 지하철역과 같은 지하 공간에서 보행자의 안전성을 심각하게 위협한다. 본 연구에서는 이러한 침수 상황에서 지하철 플랫폼 내 보행자의 보행 안정성을 평가하기 위한 보행 한계 조건 도출을 위한 실험을 수행했다. 실험실 규모에서 침수 흐름에 의해 인체가 균형을 잃고 넘어지는 현상을 재현하기 위해 질량 상사(mass similitude)를 고려한 인체모형을 제작했다. 침수 흐름 조건을 변화시키며 인체모형이 넘어지는 흐름조건을 도출하였으며, 이 결과로부터 보행 한계 유속-수심 관계(U-H 관계)를 제시했다. U-H 관계로부터 유속 증가에 따라 보행 한계 수심이 비선형적으로 감소하는 경향을 보여주며, 이 결과는 보행자가 유속 증가에 따라 안정성을 잃는 조건을 정량적으로 평가하는데 활용 가능하다. 실험실 규모에서 도출된 U-H 관계의 실제 침수 흐름 상황에 대한 적용 가능성 평가를 위해 실규모 보행 안전 실험 결과와 비교하였으며, 기존 인체모형 실험 결과와 비교하여 실제 보행 한계 흐름 조건을 더 적절하게 제시했다.

키워드

지하철 플랫폼

침수 흐름

인체모형

보행 안정성

U-H 관계

MAIN

1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 실험 수로 및 데이터 측정
2.2 3D 인체모형 설계 및 적용
2.3 보행 한계 침수 흐름 조건 결정
3. 결과 및 토의
3.1 보행 한계 유속-수심(U-H) 관계 도출
3.2 실규모 보행 안전 실험 결과와의 비교 및 검증
3.3 실제 침수 흐름에 대한 적용성 검토
4. 결 론

1. 서 론

기후 변화로 인한 집중 강우의 빈번한 발생으로 도시 및 지하 공간의 침수 피해 발생이 증가하고 있다(Martel et al., 2021; Yang et al., 2023). 특히, 지하철역은 주요 대중교통으로서 도시 내 다수의 인원이 집결하는 도시의 핵심 공간으로, 침수 발생 시 보행자의 안전에 심각한 위험을 초래할 수 있다. 또한, 지하 공간은 밀폐되고 복잡한 구조적 특성으로 인해 침수 시 보행자의 수리학적 불안정성을 증가시키며, 이는 안전한 대피를 더욱 어렵게 만든다(Liu et al., 2023). 2021년 중국 정저우에서 발생한 폭우는 지하철역 침수와 그로 인한 사망자를 초래한 바 있으며, 2022년 8월에는 서울특별시에 기록적인 폭우가 발생하여 강남역 인근과 7호선 이수역에 심각한 침수 피해 사례가 발생하였다. 이는 지하철역 침수 시 보행자의 안전성에 대한 평가와 대책 마련의 필요성을 시사한다. 지하역사로 유입된 우수로 인한 침수 시 보행자의 안전성 확보를 위해, 지하철 플랫폼과 같은 특수 환경에 특화된 보행 한계 침수 흐름 조건을 분석하는 것이 필수적이다. 이를 통해, 보행자의 보행 위험도를 정량화함으로써 지하 공간에서의 보행 안전성 평가 기준을 마련할 수 있으며(Forero-Ortiz et al., 2020; He et al., 2024), 지하 공간에서 발생할 수 있는 침수 재난에 대비한 효과적인 안전 대책 수립에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있다.

홍수 발생 시, 지상 및 지하 공간의 침수에 따른 보행자의 위험도를 평가하기 위한 여러 연구들이 수행된 바 있다. 기존 연구는 주로 하천 범람에 의한 도시 홍수 상황에서 보행자의 보행 안정성에 영향을 미치는 임계 유속-수심(U-H) 관계를 제시하였다(Arrighi et al., 2017; Shirvani and Kesserwani, 2021). 또한, Ishigaki et al. (2010)은 보행 실험을 통해 한계비력을 제시한 바 있다. 이러한 보행 안정성 평가를 위한 지표를 이용하여 2차원 또는 3차원 시뮬레이션 결과로부터 침수 위험도를 평가하고 대피 경로를 분석하였다(Shin et al., 2021; Tang et al., 2022). 그러나, 홍수 상황에서 보행자의 안정성을 평가하기 위한 기존 연구들은 주로 실제 인체를 활용한 수리실험에 의존하였다(Abt et al., 1989; Jonkman and Penning- Rowsell, 2008). 이는 보행자의 실제 물리적 특성을 반영할 수 있다는 점에서 장점을 가지지만, 여러 측면에서 한계를 지닌다. 첫째, 재현성의 제한 문제로 인해 실제 인체실험은 동일한 조건에서 반복 실험을 수행하기 어렵다. 이는 실험 참가자의 체력, 자세, 심리적 상태와 같은 인간적 요인이 시간에 따라 변하기 때문이며, 결과적으로 데이터의 정확성과 일관성을 저하시킨다. 둘째, 실험 결과에 대한 일반화에 어려움이 있다. 특정 실험에 참여한 참가자의 신체 조건은 다양한 인구 집단과 환경을 충분히 대표하지 못하며, 이는 연구 결과를 다양한 환경조건에 적용하는데 한계를 보여준다. 마지막으로, 변수 통제의 어려움이다. 실제 인체 실험에서는 체중, 신장, 의복, 자세와 같은 다양한 변수들이 보행자의 안정성에 영향을 미치며, 이를 실험적으로 완벽히 통제하기 어렵다. 또한, 동일한 실험 조건에서도 참가자의 반응이 상이할 수 있어 결과 해석에 복잡성을 더한다.

실규모 침수 보행 실험의 한계를 극복하기 위해, 인체모형을 이용한 보행 안전성 평가 실험이 수행된 바 있다. 인체모형을 이용한 연구는 동일 흐름 조건에서 반복 실험이 가능하며, 다양한 변수에 대해 정밀한 통제가 가능하다는 점에서 실제 인체실험의 효과적인 대안으로 활용 가능하다. Xia et al. (2014)는 성인 기준 1:5.54 비율의 인체모형을 제작하여 침수 환경에서 보행자의 넘어짐(toppling) 및 미끄러짐(sliding)에 대한 보행 한계 유속을 도출하였다. 실험 결과로부터 깊은 수심에서는 부력의 증가로 인해 전도 임계 유속이 감소하며, 낮은 수심과 높은 유속에서는 보행자의 불안정성이 주로 미끄러짐에 의해 발생함을 보였다. Postacchini et al. (2021)은 키 180 cm, 체중 80 kg인 실제 성인을 기준으로 1:1.6의 기하학적 상사(geometric similarity)비를 가진 인체모형을 제작하였으며, 전방(toppling forward) 및 후방(toppling backward) 넘어짐 발생 조건을 분석했다. 또한 Zhu et al. (2023)은 1:5 비율의 다양한 인체모형(성인 남성, 성인 여성, 어린이)을 활용해 침수 환경에서 보행자의 안정성에 영향을 미치는 요인을 실험적으로 분석하였으며, 실제 인체와 유사한 밀도(1,130 kg/m³)의 재료를 이용하여 인체모형을 제작했다. 이 연구에서는 보행자의 방향과 자세에 따른 보행 한계 조건을 제시했다. 인체모형을 이용한 여러 실험 결과가 제시된 바 있으나, 기존 연구에서는 인체모형 제작 시 질량 상사(mass similitude)를 충분히 고려하지 않아, 실험 결과가 실제 보행자의 보행 안정성을 재현하는데 한계가 있었다. 또한, 인체모형 실험을 통해 도출된 결과를 실제 침수 흐름 상황에 적용할 수 있는지에 대한 검증이 부족한 상황이다.

본 연구에서는 인체모형을 활용한 모형실험을 통해 침수 흐름 내 보행 한계 흐름 조건을 도출하고, 실규모 실험의 대체 가능성을 평가하였다. 이를 위해 대한민국 성인 남성의 평균 체형을 반영한 인체모형을 질량 상사를 고려하여 제작하였으며, 침수 흐름 변화에 따른 보행 한계 유속-수심 조건을 산출하였다. 또한, 인체모형 실험에서 도출된 유속-수심 조건과 실규모 실험으로 도출된 보행 안전 한계 조건을 비교하여, 모형실험 결과의 실제 침수 상황에 대한 적용 가능성을 분석하였다. 이 결과를 바탕으로 인체모형 실험 결과의 적용 가능성을 검토하고, 침수 흐름에서의 보행 안전 평가 기준을 제시하였다.

2. 연구 방법

2.1 실험 수로 및 데이터 측정

침수 흐름 내 보행 한계 유속-수심 조건 도출을 위해 수리모형실험을 수행했다. Fig. 1은 실험수로에 대한 개념도를 나타내며, 폭 0.4 m, 길이 15 m의 직사각형 단면의 개수로를 이용했다. Fig. 1에서 $H_{h}$ 는 인체모형의 키, H는 수심을 나타낸다. 실험수로의 중앙에 인체모형을 위치시킨 후, 유량과 수심을 조정하며 인체모형이 넘어지는 흐름 조건을 결정했다. 인체모형 제작을 위한 기하학적 상사비는 “도시철도 정거장 및 환승 편의시설 설계 지침”(MOLIT, 2018)에서 제시된 지하철 플랫폼의 평균 폭, 4 m와 실험수로의 폭을 기준으로 1:10으로 결정했다. 그리고 침수 흐름은 Froude 수(Fr)의 범위를 0.211 ~0.670의 상류 흐름 조건으로 결정하였으며, 이는 실제 지하철 역사 내 침수 상황에서 관찰되는 유동 특성과 유사하다(Torsvik et al., 2006). Fr의 범위 내에서 등류 흐름이 발생하도록 실험 유량을 0.012~0.015 m³/s, 수심은 0.06~0.142 m의 범위에서 조정하여 인체모형이 넘어지는 유속-수심(U-H) 관계를 결정했다. 실험을 위한 수심의 상한값은 침수심이 인체모형의 코 높이보다 높을 경우 보행이 불가능한 조건이라 판단하여 0.142 m로 결정했다(Drillis et al., 1964; Milanesi et al., 2015).

침수 흐름의 유속은 3차원 전자식 유속계(VP-3000, KENEK)를 사용하여 sampling rate 80 Hz로 30초 동안 유속을 측정하였다. 유속은 인체모형이 넘어지는 흐름조건에 대해 측정하였으며, 수심 방향으로 1 cm 간격으로 측정된 데이터를 수심평균하여 결정했다. 측정된 수심평균 유속을 Fr 상사에 따라 Eq. (1)과 같이 실제 지하철 플랫폼 내의 유속으로 계산하였다.

(1)

V_{p} = V_{m} \sqrt{l_{r}}

여기서, $V_{m}$ 은 수로 내 수심평균 유속(m/s), $V_{p}$ 는 실제 유속(m/s), $l_{r}$ 은 기하학적 상사비로서 실제 지하철 플랫폼의 평균 폭에 대한 실험수로의 폭의 비에 따라 10이다. 인체가 넘어지는 순간의 수심을 측정하기 위해 초고속 카메라(Phantom Miro C110, Vision Research)를 활용한 이미지 분석 기법으로 측정하였다. Fig. 1과 같이 초고속 카메라는 실험 수로의 측면에 설치하였고, 촬영된 이미지(1024×768)의 픽셀을 분석하여 인체모형 주변의 침수심을 결정했다.

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Fig. 1.

Schematic diagram of the laboratory flume

2.2 3D 인체모형 설계 및 적용

본 연구에서는 2022년 대한민국 성인 남성(20~30대)의 평균 신장과 체중을 기반으로 인체모형을 설계하였다(NHIS, 2022). 성인 남성의 평균 신장은 174.6 cm, 체중은 78.0 kg으로 설정하였으며, 기하학적 상사와 질량 상사를 적용하여 인체모형을 제작하였다. 인체모형의 기하학적 상사비( $l_{r}$ )는 10이며, 질량 상사비( $m_{r}$ )를 고려하기 위해 다음 식과 같이 모형의 무게를 결정하였다.

(2)

m_{r} = W_{r} = ρ_{r} V_{r} = ρ_{r} l_{r}^{3}

여기서, $W_{r}$ 은 실제 인체의 무게( $W_{p}$ )와 인체모형의 무게( $W_{m}$ )의 비, $ρ_{r}$ 은 실제 인체의 밀도( $ρ_{p}$ = 1,000 kg/m³)와 인체모형 제작에 사용된 재료의 밀도( $ρ_{m}$ )의 비, $V_{r}$ 은 실제 인체의 체적( $V_{p}$ )과 인체모형의 체적( $V_{m}$ )의 비이다. 기하학적 상사비( $l_{r}$ = 10)와 Eq. (2)에 따라 인체모형의 키는 17.5 cm, 무게는 78 g이 되어야 한다. 인체모형 제작을 위해 3D 프린터를 이용하였으며, 3D 프린팅을 위한 필라멘트는 밀도가 1,240 kg/m³인 HS PLA를 이용했다. 인체 밀도와 재료의 밀도 간 차이로 인해 동일 체적의 $W_{m}$ = 96.8 g이 되어 사포 연마를 통해 질량 상사 조건과 일치하도록 모형의 무게를 $W_{m}$ = 78 g이 되도록 조정하였다(Table 1). Fig. 2(a)는 인체모형을 Creality Print 5.1 소프트웨어를 이용하여 모델링 및 출력한 과정을 나타내며, Fig. 2(b)는 최종적으로 설계된 인체모형이다. 기존의 연구(Postacchini et al., 2021; Zhu et al., 2023)에서는 3D 프린팅 재료의 밀도만을 고려하여 인체모형의 무게를 설정한 반면, 본 연구는 질량 상사를 적용하여 모형의 무게를 조정하였다. 이러한 접근은 단순 제작 방식과 차별화되며, 실험 결과의 신뢰성을 높이고 실제 상황에 대한 보다 현실적인 해석을 가능하게 한다.

Table 1.

Comparison of real pedestrian and adjusted human body model characteristics

Physical characteristic	Real pedestrian	Human body model
Height (m)	1.75	0.175
Mass (kg)	78.03	0.078

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Fig. 2.

Fabrication of human body model for pedestrian instability experiments

2.3 보행 한계 침수 흐름 조건 결정

인체모형이 넘어지는 흐름 조건의 결정을 위해 Fig. 3과 같이 실험 수로의 정중앙에 인체모형을 배치하여 실험을 진행하였다. 또한, 흐름 방향에 대해 인체모형이 정면을 바라보도록 각도를 0도로 설정하여 보행 한계 유속-수심 조건을 도출하였다. Fig. 4는 실험 중 인체모형이 물의 흐름에 의해 넘어지는 순간의 모습이다. 인체모형은 유속과 수심의 변화에 따라 미세하게 흔들리기 시작하며, 이후 균형을 잃고 넘어지게 된다. 이러한 균형 상실 후 넘어지는 순간을 기준으로 초고속 카메라를 이용하여 관찰하였다. 이때, 침수 흐름에 의한 영향만을 고려하기 위해 인체모형이 넘어지는 흐름 조건은 유속계 설치 전 관찰하였다. 이후, 인체모형이 넘어지는 순간이 관찰된 흐름 조건에 대해 인체모형이 위치했던 지점에 유속계를 다시 투입하여 유속을 측정하였다. 주어진 유량에 대해 수심을 단계적으로 증가시키며, 각 단계에서 인체모형이 넘어지는 시점을 결정하고, 이 시점의 유속과 수심을 측정했다. 이러한 과정을 반복하여 총 5개의 임계 유속-수심(U-H) 조건을 도출하였다.

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Fig. 3.

Schematic of 0° angle (Overhead view)

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Fig. 4.

Human body model instability occurring (Toppling)

3. 결과 및 토의

3.1 보행 한계 유속-수심(U-H) 관계 도출

대한민국 성인 남성의 평균 체형을 반영한 인체모형을 이용한 수리실험을 통해 보행 한계가 발생하는 유속-수심 조건을 결정하였다. Fig. 5는 실험을 통해 도출한 성인 남성 기준 보행 한계 유속-수심 관계를 보여준다. 실험 결과로부터 정의된 유속-수심의 관계는 유속이 증가함에 따라 보행 한계 수심이 비선형적으로 감소하는 경향을 보였으며, 이는 유속의 증가가 인체모형의 안정성을 저하시킨다는 것을 의미한다. 측정 결과로부터 보행 한계 유속-수심 관계의 회귀식을 Eq. (3)과 같이 산정하였다.

(3)

H = 1.0158 \times U^{- 0.717}

여기서, H는 인체가 넘어지는 시점의 수심(m), U는 인체가 넘어지는 시점의 유속(m/s)을 나타내며, 본 연구에서 제안한 회귀식(Eq. (3))의 결정계수( $R^{2}$ )는 0.99로 나타나 매우 높은 적합도를 보였다. 본 연구의 보행 한계 수리조건의 타당성을 검증하기 위해, 기존 연구에서 인체모형 실험을 통해 제시한 U-H 관계와 비교하였다. Zhu et al. (2023)은 중국 거주 성인 남성(169.7 cm, 70.3 kg)을 기준으로 인체모형을 설계하여 보행 한계 흐름 조건을 도출하였으며, Eq. (4)의 회귀식을 제안했다.

(4)

H = 0.80697 U^{- 0.44157}

이때, Zhu et al. (2023)의 회귀식(Eq. (4))은 결정계수( $R^{2}$ )가 0.90이다. 본 연구의 결과와 Eq. (4)를 이용한 보행 한계 유속-수심 관계를 비교한 결과를 Fig. 5에 나타냈다. 두 회귀식 모두 유속의 증가에 따라 임계 수심이 비선형적으로 감소하는 유사한 경향을 보였다. 그러나 유속 변화에 따른 침수심의 변화율에 차이가 발생했다. 상대적으로 낮은 유속 영역(U < 1.5 m/s)에서는 Eq. (4)의 결과가 본 연구보다 더 낮은 임계 수심을 나타냈으며, 이는 동일한 유속과 수심에 대해 보행 안정성이 본 연구에서 제시한 결과보다 낮게 평가됨을 보여준다. 반면, 중간 유속 영역(1.5 ≤ U ≤3.5 m/s)에서는 두 데이터가 유사한 경향을 보였으며, 이는 본 연구의 보행 안정성 평가 결과가 선행 연구와 유사하게 평가하고 있음을 보여준다. 고속 영역(U > 3.5 m/s)에서는 본 연구가 동일 유속에 대해 더 낮은 임계 수심을 나타내었는데, 이는 본 연구 결과가 보행 안정성을 더 낮게 평가함을 의미한다. 본 연구에서 제시한 보행 한계 흐름 조건과 선행 연구의 차이는 인체모형 설계 시 질량 상사를 반영한 결과로 판단된다.

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Fig. 5.

Comparison of the U-H relationship between this study and Zhu et al. (2023)

3.2 실규모 보행 안전 실험 결과와의 비교 및 검증

본 연구에서 제시한 실험 결과의 실제 침수 상황에 대한 적용성을 검증하기 위해, 실규모 보행 안전 실험을 통해 도출된 보행 한계 평가 경험식과 비교하였다. Abt et al. (1989)은 침수 흐름에 대한 보행 한계 조건을 결정하기 위해 평균 신장 178 cm, 평균 체중 75 kg인 20명의 성인을 대상으로 실험을 수행했다. 이 실험 결과로부터 결정된 보행 한계 수심과 유속의 곱, $(H U)_{c}$ 에 대한 경험식을 Eq. (5)와 같이 제안했다.

(5)

(H U)_{c} = 0.0929 (e^{0.001906 H_{h} W_{p} + 1.09})^{2}

여기서, $(H U)_{c}$ 는 한계 수심과 유속의 곱(m²/s)으로 사람이 넘어지게 되는 $H U$ 값, $H_{h}$ 는 피실험자의 신장(m), $W_{p}$ 는 피실험자의 체중(kg)이다. Eq. (5)로부터 보행자의 신장과 체중을 이용하여 보행이 제한되는 침수 흐름 조건을 도출할 수 있으며, 침수 흐름의 $H U$ 값이 $(H U)_{c}$ 를 초과하면 보행이 불가능한 것으로 판단한다. Fig. 6는 Eq. (5)를 이용하여 계산한 U-H 관계와 Eqs. (3) and (4)를 통해 계산한 결과를 각각 비교한 그래프이다. Fig. 6(a)는 Eqs. (5) and (3)을 비교한 결과를 나타내며, 유속이 0~0.2 m/s인 구간에서는 본 연구의 데이터가 임의의 유속에 대해 보행 불가능한 수심을 실규모 실험 결과(Eq. (5))보다 더 낮게 결정하여 보행 안전 조건을 다소 보수적으로 평가했다. 보행 안정성에 영향을 미치는 요인은 미끄러짐과 넘어짐으로 구분할 수 있다(Xia et al., 2014). 미끄러짐은 보행자 발바닥과 지면 사이에서 발생하는 접지력과 침수 흐름에 의한 항력에 의해 결정되며, 넘어짐은 보행자의 신체특성(몸무게, 부피)에 의한 자중 및 부력과 침수 흐름에 의한 모멘트 차이로 발생한다. 본 연구에서는 인체모형을 이용하였기 때문에 침수 흐름 내 실제 사람의 자세변경, 균형 조정 등의 역학적 반응, 발바닥의 접지력 및 마찰력을 이용한 미끄러짐 저항을 반영하지 못한다. 또한, Abt et al. (1989)의 연구는 다양한 체형의 참가자를 대상으로 실험을 수행한 반면, 본 연구에서는 대한민국 성인 남성 표준체형에 기반한 인체모형을 이용하여 넘어짐 발생을 일으키는 부력 발생 조건에 차이가 나타날 수 있다. 이러한 요인들로 인해 Abt et al. (1989)의 실험결과와 차이가 나타났으나, 질량 상사를 고려한 인체모형을 이용하여 기존 실험연구 결과보다 개선된 결과를 도출했다. 특히, 유속이 2~3 m/s인 구간에서는 본 연구의 데이터와 Eq. (5)의 곡선이 거의 일치하였으며, 이는 본 연구에서 사용된 인체모형이 Abt et al. (1989)의 실험 조건을 충실히 재현했음을 나타낸다.

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Fig. 6.

Comparison of U-H relationships between real-scale pedestrian safety conditions and results from human model experiments

Fig. 6(b)는 Eqs. (5) and (4)를 비교한 결과를 보여주며, 유속이 0~1.5 m/s인 구간에서는 본 연구 결과보다 더욱 보수적인 보행 안전 평가 결과를 나타냈다. 이러한 차이는 Zhu et al. (2023)의 인체모형이 질량 상사를 고려하지 않아 실제 인체의 특성을 충분히 반영하지 못하여 발생한 결과로 판단된다. 본 연구에서 도출한 Eqs. (3) and (5)의 $R^{2}$ 는 0.98로, 매우 높은 적합도를 나타내었다. 이는 본 연구의 실험 결과가 실규모 보행 안전 실험 결과와 유사한 결과를 도출할 수 있음을 보여준다. 반면, Zhu et al. (2023)에서 도출한 Eqs. (4) and (5)의 $R^{2}$ 는 0.93으로, 본 연구 결과와 비교해 낮은 적합도를 보였다. 이러한 차이는 Zhu et al. (2023)의 인체모형이 질량 상사를 적용하지 않아 실규모 실험 결과와 차이가 발생함을 나타낸다.

Arrighi et al. (2019)은 Jonkman and Penning-Rowsell (2008), Xia et al. (2014), Martinez-Gomariz et al. (2016) 등 기존 선행 연구에서 확보된 다양한 실제 인체의 실험 데이터를 기반으로 침수 흐름에 의한 넘어짐 발생 시, $F r$ 와 인체의 침수 비율( $H / H_{h}$ )간의 관계식을 Eq. (6)와 같이 제시하였다.

(6)

\frac{H}{H_{h}} = \frac{0.29}{0.24 + F r}

여기서 $H / H_{h}$ 는 인체가 물에 잠긴 비율(relative submergence)이다. Fig. 7은 본 연구와 Zhu et al. (2023)의 실험 결과를 이용하여 Eq. (6)을 계산한 결과를 비교한 그래프이다. 본 연구와 Arrighi et al. (2019)의 결과는 값의 차이는 있으나, 전반적으로 유사한 경향성을 보였다. 특히, 본 연구에서 제안된 데이터는 $F r$ 값이 증가함에 따라 $H / H_{h}$ 값이 비선형적으로 유사하게 감소하는 경향을 보였으며, Arrighi et al. (2019)의 그래프를 기준으로 상단에 위치하였다. 이는 Arrighi et al. (2019)이 다양한 인체 특성을 포괄하여 설계됨으로써, 다소 보수적인 보행 안정 평가결과를 제시하고 있음을 나타낸다. 반면, Zhu et al. (2023)의 실험 결과를 이용한 계산 값은 Arrighi et al. (2019)의 그래프와 상이한 패턴을 나타내어 실규모 실험 결과와 차이가 발생함을 보였다. 본 연구와 Arrighi et al. (2019) 간의 $R^{2}$ 는 0.998로, Zhu et al. (2023)과 Arrighi et al. (2019) 간의 $R^{2}$ 값인 0.987보다 높은 경향성을 나타냈다. 이러한 결과는 질량 상사를 고려하여 설계된 본 연구의 인체모형이 실규모 실험을 통해 도출된 Arrighi et al. (2019)의 연구 결과와 높은 일치를 보인다는 점에서, 본 연구의 보행 한계 수리조건이 더욱 신뢰할 수 있음을 보여준다. 또한, 실제 침수 흐름 상황에 대한 보행 안정성 평가에 적용 가능한 결과임을 나타낸다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kwra/2025-058-06/N0200580602/images/kwra_58_06_02_F7.jpg

Fig. 7.

Comparison of this study and Zhu et al. (2023) with Arrighi et al. (2019) in terms of H/Hh as a function of the Froude number

3.3 실제 침수 흐름에 대한 적용성 검토

인체모형 실험 결과로부터 도출한 보행 한계 유속-수심 조건의 실제 홍수 상황에 대한 적용 가능성을 검토하기 위해 DEFRA and EA (2006)에서 제안한 침수 위험도 지표인 Hazard Rating (HR)과 비교하였다. HR은 다양한 수심과 유속 조건에서 보행자의 안정성을 분석한 데이터를 기반으로 홍수 위험도를 정량화한 지표로서 Eq. (7)과 같이 계산한다.

(7)

H R = H \times (U + 0.5) + D F

여기서 DF는 Debris Factor로서, 0, 0.5, 1의 값을 가진다. DEFRA and EA (2006)에서는 HR을 이용하여 홍수 위험도를 Table 2와 같이 4단계(Low, Moderate, Significant, Extreme)로 구분하여 제시하였다. 본 연구에서는 장애물이 없는 수로에서 실험을 진행했기 때문에 DF 값은 0으로 설정하였으며, 본 연구의 U-H 관계를 Eq. (7)의 보행 위험도 평가 범위와 함께 비교했다(Fig. 8). 그 결과, 본 연구 결과로부터 도출된 보행 한계 U-H의 관계는 Significant 단계에 위치하였다. Significant 단계는 보행자가 물리적 안정성을 상실한 상태를 의미하므로, 본 연구 결과로부터 결정된 보행 한계 조건에 부합하는 결과로 판단된다. 또한, Eq. (7)은 수심, 유속, 장애물 등의 영향을 통합적으로 반영한 모델로서, 보행자의 전도 가능성을 구체적으로 평가하는 데 신뢰할 수 있는 기준이 된다. 본 연구에서 도출된 결과는 이러한 모델을 실험적으로 검증한 사례로서, 인체모형의 실제 적용성과 신뢰성을 뒷받침한다.

Table 2.

Classification of hazard levels

HR	Degree of Flood Hazard	Description
< 0.75	Low	Caution
0.75~1.25	Moderate	Dangerous for some
1.25~2.5	Significant	Dangerous for most people
> 2.5	Extreme	Dangerous for all

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Fig. 8.

Classification of hazard rating with experimental U-H conditions overlayed

한편, 본 연구는 인체모형을 이용하여 실규모 침수 흐름 상황에 적용 가능한 보행 한계 조건을 도출할 수 있었으나, 실제 사람의 보행 과정에서 나타나는 발바닥 접지력, 자세 조정, 근육 반응과 같은 복잡한 역학적 특성을 완벽하게 재현하지 못하였다는 한계를 가진다. 이는 보행 안정성 평가 결과를 실제 침수 상황에 적용할 때 제약으로 작용할 수 있으므로, 이를 보완하기 위해 다음 사항을 고려한 추가적 연구가 필요하다. 첫째, 다양한 지면 조건에 따른 마찰력의 차이가 보행 안정성에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 둘째, 성별, 연령별 신체특성을 고려한 다양한 인체모형을 제작하여 각 신체 특성별 보행 한계 조건을 비교함으로써, 보다 일반화된 보행 안정성 평가 기준을 마련할 수 있다. 마지막으로, 침수 흐름 내 넘어짐 저항 자세를 반영한 인체모형을 제작하여 인간의 역학적 반응을 부분적으로 재현할 수 있도록 인체모형 제작 개선 방향을 검토할 필요가 있다. 이러한 인체모형 실험 조건의 다양화를 통해 보행 한계 조건 결정의 불확실성을 줄이고, 사람을 대상으로 한 실험에서 재현할 수 없는 침수 흐름 내 보행 안정성 평가 기준을 수립할 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 지하철 침수 상황에서 보행자의 안정성을 평가하기 위해 인체모형을 이용한 수리실험을 수행하였다. 질량 상사를 고려하여 성인 남성의 표준체형을 반영한 인체모형을 제작하여 유속과 수심의 변화에 따른 보행 한계 U-H 관계를 도출하였다. 실험 결과, 유속의 증가에 따라 보행 한계 수심이 비선형적으로 감소하는 경향을 보였으며, 이는 유속이 증가할수록 보행자가 안정성을 점진적으로 상실하는 과정을 설명한다. 실험 결과에 대한 실제 침수 상황에 대한 적용 가능성 평가를 위해 실규모 보행 안전 실험 결과와 U-H 관계를 비교했다. 본 연구에서 설계한 인체모형은 모형을 이용한 기존 연구 결과 대비 실규모 침수 상황에 대한 높은 적합도를 나타냈다. 또한, 본 실험 결과가 HR을 이용한 보행 위험도 평가 단계 중 ‘Significant’ 단계에 속하여, 보행 한계 조건이 실제 침수 상황에 대한 보행 안전도 평가에 활용될 수 있음을 나타냈다.

본 연구는 지하 공간 침수 시 인명 대피 경로 수립 및 시설의 안전도 평가를 위해 활용할 수 있는 결과를 제시했다. 그러나 본 연구는 단순한 실험 조건에서 수행되었기 때문에 주변 구조물의 영향, 대피 인구의 보행 취약성, 다중대피 상황 등 인명 대피에 영향을 미칠 수 있는 조건을 반영하지 못한 한계가 있다. 이러한 제한은 실제 홍수 상황에서의 다양성을 충분히 포괄하지 못할 수 있으며, 이는 연구 결과의 적용에 제한이 따를 수 있다. 향후 연구에서는 대피 인구의 보행 취약성, 밀집도 및 침수 흐름에 영향을 미칠 수 있는 대피 시설의 환경적 요인을 추가적으로 고려하여 실험을 확장할 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통과학기술진흥원의 대심도장대터널(GTX 등)의 재난대응 복합 훈련장 개발 사업연구개발과제(RS-2023-00238018)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

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Journal of Korea Water Resources Association ISSN:2799-8746(Print) 2799-8754(Online) 한국수자원학회 논문집

Preview

Pedestrian stability assessment and applicability analysis based on human model experiments in inundated flows

ABSTRACT

MAIN

(1)

Fig. 1.

Schematic diagram of the laboratory flume

(2)

Table 1.

Comparison of real pedestrian and adjusted human body model characteristics

Fig. 2.

Fabrication of human body model for pedestrian instability experiments

Fig. 3.

Schematic of 0° angle (Overhead view)

Fig. 4.

Human body model instability occurring (Toppling)

(3)

(4)

Fig. 5.

Comparison of the U-H relationship between this study and Zhu et al. (2023)

(5)

Fig. 6.

Comparison of U-H relationships between real-scale pedestrian safety conditions and results from human model experiments

(6)

Fig. 7.

Comparison of this study and Zhu et al. (2023) with Arrighi et al. (2019) in terms of H/Hh as a function of the Froude number

(7)

Table 2.

Classification of hazard levels

Fig. 8.

Classification of hazard rating with experimental U-H conditions overlayed

Acknowledgements

Conflicts of Interest

References